PT104765A - Método e dispositivo de detecção multi-ponto de baixa latência em grelhas capacitivas - Google Patents

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO DIZ RESPEITO A UM MÉTODO E DISPOSITIVO DE CONTROLO E DETECÇÃO MULTIPONTO DE BAIXA LATÊNCIA APLICADO, POR EXEMPLO, A UMA GRELHA CAPACITIVA (111). A GRELHA CONSISTE NUMA SÉRIE DE MICRO-FILAMENTOS CONDUTORES (101-110), COLOCADOS ENTRE DUAS CHAPAS TRANSPARENTES, DISPOSTOS EM LINHAS E COLUNAS, QUE SE CRUZAM, FORMANDO UMA MATRIZ. A LEITURA DO CAMPO MAGNÉTICO CRIADO NA IMEDIAÇÃO DA GRELHA, POSSIBILITA A DETECÇÃO DE OBJECTOS PRÓXIMOS OU EM CONTACTO. AS TÉCNICAS UTILIZADAS ACTUALMENTE EM GRELHAS DE GRANDE DIMENSÃO REVELAM LIMITAÇÕES, NOMEADAMENTE POR POSSIBILITAREM NO MÁXIMO A DETECÇÃO DE DOIS PONTOS DE TOQUE SIMULTÂNEOS. A INVENÇÃO APRESENTADA ULTRAPASSA ESTAS DIFICULDADES, POSSIBILITANDO UMA CAPTURA RÁPIDA E ROBUSTA DA INFORMAÇÃO DOS TOQUES SIMULTÂNEOS (MULTI-TOQUE). A SUA APLICAÇÃO PREFERENCIAL RESIDE NAS ÁREAS DA INTERACÇÃO HUMANO/COMPUTADOR E DE TRABALHO COLABORATIVO EM ÁREAS DE INTERACÇÃO DE GRANDE DIMENSÃO, UTILIZANDO TECNOLOGIA ELECTRÓNICA BASEADA EM FENÓMENOS CAPACITIVOS, E EM CIRCUITOS DE CONTROLO DE ALTA FREQUÊNCIA, BEM COMO COMPONENTES DE SOFTWARE PARA CONTROLO DOS CIRCUITOS E PROCESSAMENTO DOS DADOS CAPTURADOS.

Description

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DESCRIÇÃO "MÉTODO E DISPOSITIVO DE DETECÇÃO MULTI-PONTO DE BAIXA LATÊNCIA EM GRELHAS CAPACITIVAS"

Domínio técnico da invenção A presente invenção diz respeito a um método de controlo e detecção multiponto de baixa latência aplicado, por exemplo, a uma grelha capacitiva, preferencialmente de grandes dimensões. A solução agora proposta permite uma leitura do campo magnético criado na imediação da referida grelha, possibilitando a detecção da presença de vários objectos próximos ou em contacto consigo. A invenção terá aplicação preferencial nas áreas da interacção humano/computador, e de trabalho colaborativo em áreas de interacção de grande dimensão, utilizando tecnologia electrónica baseada em fenómenos capacitivos, e em circuitos de controlo de alta frequência, bem como componentes de software para controlo dos referidos circuitos e processamento dos dados capturados.

Sumário A presente invenção descreve um dispositivo de detecção multi-ponto de baixa latência em grelhas capacitivas caracterizado por compreender uma superfície, referida por grelha capacitiva (111), que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores, onde cada conjunto compreende um ou mais condutores isolados (101-105, 106-110), onde os condutores de cada conjunto não se cruzam entre si, mas os condutores de conjuntos diferentes cruzam-se entre si, sem contacto eléctrico directo; e um circuito detector de alterações de capacidade no ponto de cruzamento entre dois condutores de diferentes conjuntos (112), aquando da 2 aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo, e que compreende: emissor de sinal, que compreende: - injector de sinal variável no tempo (1008); - desmultiplexador (1007) para seleccionar condutor de um primeiro conjunto onde injectar sinal; receptor e detector de sinal, que compreende: - multiplexador (1010) para seleccionar um outro condutor de um segundo conjunto onde detectar o sinal injectado; - amplificador de sinal (1009); - desmodulador ou rectificador, que converte o sinal para um potencial; - conversor analógico-digital (1012), que converte o potencial numa leitura numérica.

Uma realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de o receptor de sinal compreender adicionalmente um filtro passa-alto, resistivo-capacitivo, RC, que faz uso da própria capacidade entre os dois condutores seleccionados.

Uma outra realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de o sinal injectado ser alternado sinusoidal, com valor médio nulo ou valor quadrático médio nulo, entre os 50 e os 300 KHz, com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico.

Uma ainda outra realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de o conversor analógico-digital (1012) operar em modo diferencial utilizando como referência (1015) da conversão analógico-digital uma ou 3 mais leituras prévias de cada intercepção de um par de condutores.

Uma realização ainda mais preferencial da presente invenção tem a caracteristica de a referência da conversão analógico-digital compreender duas voltagens, mínima (1303) e máxima (1304), independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas em uma ou mais leituras prévias.

Uma outra realização ainda mais preferencial da presente invenção tem a caracteristica de que o sinal é injectado num dado condutor, são desligados os restantes condutores, ou mantidos em alta impedância ou em potencial fixo contínuo.

Uma ainda outra realização ainda mais preferencial da presente invenção tem a caracteristica de compreender adicionalmente um circuito de redução de ruído por alisamento (1005) .

Uma realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de a referida grelha capacitiva (111) ser plana ou substancialmente plana.

Uma outra realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de os conjuntos de condutores serem dois (101-105, 106-110), orientados em linhas e colunas de forma regular, formando uma matriz (111) .

Uma ainda outra realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de os condutores serem micro-filamentos em particular de metal ou serem faixas em camadas finas, nomeadamente de óxidos de índio tais como, 4

Indium Tin Oxide - ITO, ou óxidos de Antimónio tais como, Antimony Tin Oxide - ATO.

Uma realização mais preferencial da presente invenção tem a caracteristica de os seus elementos serem total ou parcialmente transparentes e compreender adicionalmente um écran colocado sob a grelha capacitiva (111) . A presente invenção descreve ainda um método de detecção multi-ponto de baixa latência em grelhas capacitivas caracterizado por detectar alterações de capacidade na proximidade de um ou mais pontos de cruzamento (112), cada qual entre dois condutores eléctricos isolados entre si, aquando da aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo, ou aquando da aproximação ou contacto, ao longo de um trilho, de um objecto (710), nomeadamente um dedo; em uma superfície, referida por grelha capacitiva (111) , que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores (101-105, 106-110), onde cada conjunto compreende um ou mais condutores isolados, onde os condutores de cada conjunto não se cruzam entre si, mas os condutores de conjuntos diferentes cruzam-se entre si, sem contacto eléctrico directo; e por compreender os seguintes passos: - seleccionar um primeiro condutor (901), de um primeiro conjunto de condutores; - injectar um sinal variável no tempo; - seleccionar um segundo condutor (901), de um segundo conjunto de condutores; - amplificar e rectificar o sinal obtido(902) no segundo condutor; converter o sinal para digital e enviar para processamento (903); 5 escolher um outro segundo condutor entre o segundo conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente ao primeiro condutor (906) ; - escolher um outro primeiro condutor entre o primeiro conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente à grelha capacitiva (907) ;

Uma realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de compreender adicionalmente o passo de regular a sensibilidade e alcance através da frequência e amplitude do sinal injectado.

Uma realização mais preferencial da presente invenção tem a caracteristica de compreender adicionalmente um passo de redução de ruido por alisamento.

Uma realização ainda mais preferencial da presente invenção tem a caracteristica de compreender adicionalmente o passo de variar o ganho de amplificação do sinal, o nivel de alisamento e redução de ruido do sinal e a precisão da conversão analógica-digital de forma a reduzir o nivel de ruído da grelha capacitiva.

Uma outra realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de o sinal injectado ser alternado sinusoidal, com valor médio nulo ou valor quadrático médio nulo, entre os 50 e os 300 KHz, com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico.

Uma ainda outra realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de o conversor analógico- 6 digital (1208) operar em modo diferencial (1209) e utilizando como referência (1211) da conversão analógico-digital duas voltagens, minima e máxima, independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas em uma ou mais leituras prévias.

Uma ainda outra realização mais preferencial da presente invenção tem a caracteristica de que, após recepção de das leituras obtidas da grelha sob a forma digital, é feito um processamento dessa informação, que compreende um ou mais dos seguintes passos: - detecção por limiar, thresholding: valores inferiores a um limite mínimo assumem-se como erros residuais, e são anulados; - filtro por média móvel no tempo, moving average in time filter: cada valor em cada posição é corrigido por uma média que leva em conta as últimas leituras dessa posição, por coerência temporal; - detecção por limiar, thresholding, por conjunto de condutores: anulação dos valores inferiores a uma percentagem do valor máximo desse mesmo conjunto; - alisamento, smoothíng: pode ser aplicado um alisamento, por coerência espacial, nomeadamente filtros passa-baixo como o filtro de Gaussian, a média dos pontos vizinhos ou a mediana.

Uma outra realização preferencial da presente invenção tem a caracteristica de, após a filtragem efectuada nos passos anteriores, compreender adicionalmente os passos de: - identificar áreas contíguas da matriz que tenham leituras significativas; - para cada uma das áreas contíguas, calcular o seu centro de massa e extensão; 7 - caso o seu valor seja acima de um limite mínimo, considera-se que houve um ponto de toque na posição correspondente ao centro de massa.

Uma ainda outra realização preferencial da presente invenção tem a característica de compreender adicionalmente os passos de: - com a informação dos pontos de toque detectados na reivindicação anterior, é feito o seguimento dos mesmos, sendo armazenados sob a forma de trilhos; - no estado inicial, não existe nenhum trilho; - um ponto de toque que surja isolado dá origem a um novo trilho; - em instantes subsequentes, cada novo ponto de toque é comparado com trilhos existentes no instante de tempo anterior, se o ponto de toque estiver suficientemente perto de um trilho existente, é adicionado ao trilho, se não estiver próximo de nenhum trilho, dá origem a um novo trilho; - em cada instante também, trilhos aos quais não foi adicionado nenhum novo ponto são considerados como terminados, e são removidos da lista de trilhos existentes.

Antecedentes da Invenção A utilização de tecnologia capacitiva para a detecção de toque tem já ampla aplicação em diferentes tipos de ecrãs de toque (touchscreens) e em dispositivos onde é necessária interacção externa (exemplos: teclados, painéis de comando, interruptores por toque). Os métodos actuais baseiam essencialmente o seu funcionamento nos seguintes blocos: 8 • Grelha de pistas ou fios metálicos extremamente finos (fig. 5) ou pistas condutivas e transparentes (fig. 6), tecida em linhas e colunas; • Sistema de controlo de "sensing" ou detecção, que envia corrente através das linhas e colunas, e detecta para cada linha e cada coluna, a quantidade de energia descarregada; • Sistema de processamento de sinal que trata a informação recolhida e a serializa para envio para um sistema anfitrião: • Sistema de conversão, que, face aos valores tratados de intensidade por linha e por coluna, determina qual a coluna com o valor máximo e qual a linha com o valor máximo e converte, através de uma transformação previamente calculada por calibração, essa linha e coluna para coordenadas no ecrã.

Porém, estas técnicas sofrem de uma ou mais das seguintes limitações: • Apenas um ponto de toque pode ser detectado; • Em alguns casos, podem ser detectados no máximo dois pontos de toque; • Os casos em que podem ser detectados mais do que dois pontos estão limitados pelas dimensões dos ecrãs.

As razões para estas limitações relacionam-se essencialmente com os fenómenos capacitivos e com a forma como a informação do campo electromagnético é capturada. Para conseguir fazer uma captura multi-ponto utilizando tecnologia capacitiva, usando as mesmas grelhas, as técnicas de captura têm de ser substancialmente diferentes 9 das actuais, bem como os métodos de processamento de sinal aplicados à informação recolhida da parte sensorial.

Dois factores importantes em tecnologias de toque são a robustez e o tempo de resposta. Ambos influenciam a percepção de quem utiliza o sistema, e ditam a usabilidade do mesmo. Para um sistema multi-toque ser bem sucedido, não é suficiente que o sistema detecte múltiplos pontos de toque, é necessário que o faça de forma robusta (sem falsos positivos nem falsos negativos) e que não apresente atrasos perceptiveis entre o instante em que é efectuado um toque, e o instante em que há uma resposta por parte do sistema (baixa latência). Adicionalmente, se se pretender um processamento contínuo dos pontos de toque (por exemplo, seguimento do ponto de toque através do tempo para identificar trajectos ou movimentos específicos), a latência do sistema deve ser diminuta, para que se possam efectuar varrimentos da grelha suficientes que permitam o processamento mencionado em cima e que no final coloquem uma latência o mais imperceptível quanto possível ao utilizador.

Analisam-se, de seguida, documentos do estado da arte e comparam-se com a presente invenção. 0 documento US20090109190 divulga um método de detecção multitoque que recorre a uma "simbiose" entre a grelha e parte do circuito de detecção, sensing (ver referências aos TFT) .

De forma semelhante, o documento US20080309627 divulga um método de detecção multitoque usando parte do circuito do dispositivo de imagem (por exemplo, LCD). 10

Comparativamente, a presente invenção apresenta um sistema que separa a grelha dos outros componentes electrónicos.

Isto permite, trabalhar com uma superfície transparente, que pode ser aplicada a diferentes tecnologias de visualização (por exemplo, a utilização de projectores com tela), não estando assim vinculada a um único tipo de tecnologia de visualização. O documento US6137427 foca-se em duas partes: a película e o funcionamento de um sistema de varrimento dos condutores colocados na película sob a forma de L linhas horizontais e C linhas verticais (colunas). Nesse sistema de varrimento são lidos valores de capacitância para cada linha e para cada coluna, o que resulta em L+C valores lidos.

No caso de um ponto de toque, a posição desse ponto é determinada pelo pico de valor lido no conjunto de linhas, e pelo pico de valor lido no conjunto das colunas.

Caso existam, por exemplo, dois pontos de toque, existirão dois picos nas linhas e dois nas colunas, gerando uma ambiguidade entre quatro possíveis pontos, que pode ser parcialmente resolvida de forma heurística, mas que não escala de forma exacta para mais pontos. O sistema proposto neste documento versa um sistema de leitura por varrimento de uma série de condutores embebidos numa película transparente substancialmente diferente do sistema proposto no documento US6137427. A forma como é feita a leitura das linhas e das colunas no presente sistema, permite uma leitura de todas as 11 intersecções de forma independente, ou seja, um total de L x C pontos (leitura multi-ponto) , e a uma velocidade que permite interactividade. 0 documento US4954823 refere um dispositivo que toma a forma de um teclado com um número reduzido de teclas, e um circuito associado de compensação de desvios e comparação de leituras entre teclas diferentes. Apesar de existir alguma analogia relativamente às comparações entre leituras, os métodos utilizados e o dispositivo propriamente dito diferem substancialmente do apresentado neste documento.

Descrição geral da invenção A presente invenção permite levar a cabo uma leitura do campo electromagnético criado na imediação de uma grelha capacitiva (fig. 1), preferencialmente uma grelha de grandes dimensões, permitindo assim detectar a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha. De forma a tornar possível a leitura de cada um dos movimentos ou toques na grelha ou nas suas imediações, recorreu-se a um controlador (1001) composto de quatro circuitos principais ("Sensing" ou detecção (1003), conversão (1004), processamento de sinal (1005) e comunicação (1006)) e a um computador (1002) encarregue sobretudo de levar a cabo ajustes e calibrações da informação enviada a partir do controlador (1001) (fig. 10) .

Descrição detalhada da invenção A presente invenção permite levar a cabo uma leitura do campo electromagnético criado na imediação de uma grelha capacitiva (111) (fig. 1), preferencialmente uma grelha de 12 grandes dimensões, permitindo assim ser detectada a presença de vários objectos próximos ou em contacto com a referida grelha. 0 tipo de grelha a usar consiste preferencialmente numa série de micro-filamentos condutores revestidos (101, 102,103,104,105,106, 107,108,109, 110,201,202,2 03,204,20 5,206,207,208,209,210,301,302,303,304,305,306,307,308,309,3 10,501,502,503,504,505,701,702,703,704) (figs. 1, 2, 3 e 5), colocados entre duas chapas transparentes (506,507,606,607,608), tais como películas poliméricas, dispostos em linhas e colunas (de forma regular ou irregular), que se cruzam, formando uma matriz. O material não tem de ser necessariamente transparente, da mesma forma que os filamentos podem ser constituídos por fios ou por outros materiais condutores (401,402,403,404,405,406,407, 408,409,410,601,602,603,604,605) (figs. 4 e 6) (ex: Indium Tin Oxide (ITO), antimony tin oxide (ΑΤΟ)). Δ disposição dos filamentos deve seguir a geometria aproximada de linhas e colunas (fig 1). No entanto, uma linha ou coluna pode ser formada por um filamento disposto em "zig-zag" ou noutra forma que cubra o mais possível a área de operação desejada para essa linha ou coluna (fig. 1, 2, 3, 4) . De forma a poder capturar a informação do campo electromagnético, considere-se primeiramente a intersecção entre uma determinada linha e coluna como sendo um condensador (112) (fig 7) . Este condensador "composto" é formado pelo condensador directo entre a linha e coluna seleccionada (706), pelos condensadores formados entre a linha e coluna seleccionados e as linhas e colunas adjacentes (707,708), pelos condensadores formados entre as colunas e linhas adjacentes e as linhas e colunas seguintes, e assim sucessivamente. As linha e a coluna seleccionadas funcionam como eléctrodos deste condensador "composto" (fig 7). De 13 forma a possibilitar a captura de informação procede-se à injecção de um sinal de excitação (1008,1101,1201) de caracteristicas especificas (adiante detalhadas) num desses eléctrodos (p. ex. linha) de acordo com uma selecção pré-determinada por um multiplexador de entrada (1007,1102, 1202), o que vai provocar a carga e descarga do referido condensador, criando um campo electromagnético que por sua vez originará uma corrente eléctrica no segundo eléctrodo (no caso, na coluna) . Aquele campo electromagnético será afectado pela proximidade de objectos (por exemplo um dedo (710), opcionalmente em contacto com uma massa de terra (709)) , que, em termos eléctricos, acrescenta um condensador (705) ao condensador "composto" (fig 7) , resultando na alteração, por exemplo, da amplitude do sinal gerado no segundo eléctrodo. Esta variação de sinal, na amplitude por exemplo, será usada como indicação da proximidade ou toque no ponto de intersecção da referida linha e coluna. Para medir essa variação é efectuada uma conversão da amplitude do sinal no segundo eléctrodo para uma diferença de potencial num circuito de acondicionamento de sinal (1107,1207) (desmodulação). A partir desta voltagem, é aplicada uma conversão de voltagem para valor digital (1004), usando um conversor analógico digital (ADC) (1012,1108). Opcionalmente, pode ser aplicado um circuito diferencial (1014,1208), que permita compensar os valores obtidos na saida do ADC com um factor de correcção (1011) baseado numa leitura prévia. A conversão analógico-digital rege-se por duas tensões de referência, que definem o intervalo de valores analógicos que vão servir como limite mínimo e máximo da conversão.

Para optimizar a precisão da conversão do ADC (1108, 1208), 14 é proposto o uso de um circuito de calibração (1019) que, através da utilização de um DAC (1110, 1211), define para cada intercepção a gama de valores admissíveis a converter pelo ADC(1108, 1208) .

Porém, como já se referiu, um dos problemas existentes na leitura do sinal como reacção ao toque é a baixa latência. Ao contrário de tecnologias existentes no mercado, que fazem várias leituras a uma mesma intersecção para obter uma leitura estável e despendendo assim bastante tempo nessas leituras, a técnica proposta necessita apenas de uma leitura, compensando as possíveis variações posteriormente no firmware do controlador e/ou no computador, utilizando diferentes técnicas (por exemplo, através do cálculo do valor médio para cada célula, da aplicação de filtros activos dinâmicos). O circuito de "sensing" ou detecção (1003) permite detectar de forma localizada a proximidade ou contacto de objectos com os pontos de intersecção da matriz que o constituem. O sinal eléctrico de excitação (caracteristicas do sinal) a injectar nas linhas (fig. 11, 12) é proveniente de um gerador de onda (1008,1101,1201), preferencialmente sinusoidal entre os 50 e os 300 KHz com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico (-5 a +5 volts ou -12 a +12 volts com ponto médio centrado a 0 volts). A sensibilidade e o alcance do campo electromagnético gerado podem ser manipulados através da alteração da frequência e da amplitude do gerador de sinal. A variação de frequência pode ser manualmente ajustada utilizando condensadores fixos ou variáveis ou digitalmente, caso sejam aplicados condensadores digitais. A variação de amplitude pode ser 15 manualmente ajustada utilizando resistências variáveis, ou digitalmente, caso sejam aplicadas resistências digitais. A selecção da linha de injecção de sinal torna-se possível utilizando um circuito de multiplexação de entrada (1007.1102.1202) (fig. 11, 12) que, através das suas entradas de endereçamento e controlo, activa uma dada linha, mantendo as restantes desligadas ("tri-stated", tri-nível ou em alta impedância).

Em alternativa, as linhas não utilizadas podem receber uma componente contínua, ou seja, DC. Da mesma forma, a selecção da coluna para a obtenção do sinal analógico final referente à intercepção linha-coluna seleccionada torna-se possível usando também um circuito de multiplexação (1010.1103.1203) . O sinal à saída do circuito de multiplexação (1010,1103,1203) passa por um circuito de rectificação e acondicionamento (1107,1207), de modo a converter a diferença de amplitude de sinal em diferença de potencial. 0 circuito de recepção e amplificação em cada coluna (1009.1104.1105.1106.1204.1205.1206) é preferencialmente formado por uma malha RC (onde o condensador é aquele formado pela coluna e a linha seleccionada) em configuração de filtro "passa-alto", onde a resistência intrínseca ao condensador (fig. 7) (calculada através da frequência injectada e do valor do condensador) forma um divisor de tensão com a resistência da malha RC, que irá alimentar um amplificador em modo não inversor. Todas as colunas (1104.1105.1106.1204.1205.1206) têm nas suas saídas um circuito idêntico ao descrito anteriormente que, por sua vez, estão ligados ao circuito multiplexador de saída 16 (1010.1103.1203) (que permite seleccionar o sinal de saida de determinada coluna). Este circuito multiplexador (1010.1103.1203) tem na sua saida duas malhas RC, ambas em configuração de filtro "passa-baixo", obtendo-se no final uma voltagem relacionada com a amplitude da corrente eléctrica existente à saida da coluna (1107,1207) (rectificação). De forma a converter o valor de potencial, ou de diferença de potencial, no caso de operação diferencial, num valor digital, para posterior processamento de sinal digital, existe ainda um circuito de conversão analógico-digital (1004), o qual converte o sinal usando um conversor ADC (1012,1108), em que é tomada como gama de referência a fonte de alimentação do circuito (por exemplo, 0 volts como limite inferior e 5 volts como limite superior), ou uma voltagem de referência aplicada através de componentes externos ao microcontrolador (1018.1109.1209) ou programaticamente (interno ao microcontrolador). Opcionalmente, tendo como um objectivo o nivelamento do sinal a converter de modo a aproveitar ao máximo a gama de referência do ADC, é utilizado o ADC em modo diferencial (1014,1208) (fig. 12).

Independentemente do modo de operação do ADC na fase de detecção de toque, este é usado em modo normal na fase de inicialização (801), onde é obtida uma tabela (802) com os valores de referência para os pontos da matriz. Esta tabela será usada para os algoritmos de alisamento ("smoothing") e, opcionalmente, para uma das entradas no ADC diferencial (1208). No modo diferencial (fig. 12), o ADC (1014,1208) recebe numa das entradas o sinal proveniente da coluna seleccionada e na outra entrada recebe a saida de um DAC (1013.1209) que, por sua vez, tem à sua entrada o valor de referência (1015) para o ponto da matriz, obtido da tabela 17 gerada na fase de inicialização (801) . De forma a calcular o diferencial entre o sinal analógico e o sinal capturado, é utilizada a diferença entre sinal da coluna seleccionada e valor de referência à saída do DAC (1013,1208). A conversão analógico-digital rege-se por duas tensões de referência, que definem o intervalo de valores analógicos que vão servir como limite mínimo e máximo da conversão.

Para optimizar a precisão da conversão do ADC (1108, 1208), é proposto o uso de um circuito de calibração (1019) que, através da utilização de um DAC (1110, 1211), define para cada intercepção a gama de valores admissíveis a converter pelo ADC (1108, 1208) .

Dadas as características da grelha, os valores de potencial (1301) máximo (quando não há toque (1305,1306), ou seja, o condensador composto está carregado) e mínimo (quando há toque (1302), ou seja, o condensador composto descarrega) são diferentes para cada intercepção.

Ao definir exclusivamente um par de valores de referência (Vref+(1304) e Vref-(1303)) para a conversão de todas as intercepções, o intervalo definido terá de ser obrigatoriamente amplo de modo a abranger todos os limites de todas as intercepções, perdendo-se assim precisão de conversão. Para optimizar a precisão de conversão, é necessário definir valores de referência (Vref-(1303) e Vref+(1304)) para cada intercepção de forma independente. A definição dos valores de referência (1303,1304) de cada intercepção é feita de forma semelhante ao circuito diferencial (1011), ou seja, através de uma calibração 18 usando valores lidos da grelha, feita na fase de inicialização (801) . 0 processo de calibração dos valores de referência (1303,1304) de uma dada intercepção é feito por aproximações sucessivas, definindo um valor de tensão de referência inicial, que vai sendo ajustado até obter uma leitura válida do ADC (1108, 1208) .

Quando for atingido um valor válido, esse será um dos valores de tensão de referência para essa intercepção. O segundo valor de tensão de referência é uma função do valor do primeiro valor encontrado, de modo a abarcar toda a variação do sinal a converter (1301) .

Estes valores são guardados numa tabela de referência, para serem posteriormente usados na fase de detecção de toque na parametrização do ADC (1108, 1208) através do uso do DAC (1110, 1211).

Estes valores podem ser actualizados de forma periódica ou continua, através de recalibrações em períodos sem actividade ou através de ajustes dinâmicos durante a utilização da própria grelha.

Refira-se ainda a existência de um circuito de processamento de sinal digital (1005), o qual permite a redução de ruído por alisamento ("smoothing") e parametrização do ADC (1012,1014,1108,1208) para resoluções que melhor se apliquem ao nível de sinal e ruído (opcionalmente, permite também a gestão do sinal de referência e operação do DAC (1013,1209)). 19

Este processo de leitura de uma intercepção linha-coluna é efectuado para todas as intercepções da grelha, seguindo o seguinte processo (fig 9) : - Para cada linha (907) : - no multiplexador de entrada(1007,1102,1202), selecciona-se a linha referente à intercepção linha-coluna pretendida (901), onde será injectado o sinal de exitação - Para cada coluna (906) : - o sinal carrega os condensadores criados entre essa linha e as colunas - os estágios de amplificação aumentam o sinal obtido à saida das colunas - no multiplexador de saida (1010,1103,1203), selecciona-se a coluna referente à intercepção linha-coluna pretendida - a saida do multiplexador de saida (1010,1103,1203) passa pelo circuito de rectificação (1107,1207) - o sinal rectificado (902) entra no ADC (1012,1014,1108,1208), é convertido num valor digital (903) e enviado ao microcontrolador (1018,1109,1210) - se necessário, pré-processa os valores lidos da grelha (904) - envia os valores lidos da grelha para o computador (905)

De forma a processar o sinal são utilizados algoritmos de processamento digital de sinal codificados no "firmware", programação, do microcontrolador (1018,1109,1210). De 20 seguida, o circuito de comunicação (1006) prepara a informação digital recolhida para envio para um sistema anfitrião ou computador (host) (1002) utilizando por exemplo tecnologia USB de forma estruturada. A comunicação USB implementa ainda a enumeração do dispositivo para que este seja reconhecido pelo sistema anfitrião (computador) (1002), devidamente associado ao controlador (driver) (1016) instalado neste e divide o conjunto de valores dos pontos da matriz em pacotes enviando-os para o sistema anfitrião (1002) . Além disso implementa a sincronização da transmissão dos pacotes, por exemplo, através do envio de pacotes de controlo e recebe pacotes de controlo provenientes do sistema anfitrião (1002), que contêm valores para parametrização do dispositivo (1001) . Refira-se que estes valores podem parametrizar, por exemplo, a frequência e amplitude do circuito gerador de sinal, o ganho das etapas de amplificação do sinal, o nível de alisamento/redução de ruído do sinal e a precisão da conversão analógica-digital (1017) .

Um dos algoritmos possíveis e preferencial para o processamento da informação obtida da grelha é descrito de seguida. Após recepção de cada frame (matriz com as leituras obtidas da grelha) sob a forma digital, é feito um processamento dessa informação para reduzir o ruído, detectar pontos de toque e fazer o seguimento desses mesmos pontos. O processamento divide-se em vários estágios, podendo não ser limitado a estes. 21

Estágios de detecção de pontos de toque:

Thresholding: valores inferiores a um limite mínimo assumem-se como erros residuais, e são anulados Moving Average in Time filter (filtro por média móvel no tempo): cada valor na posição (x,y) é corrigido por uma média que leva em conta as últimas n leituras para cada um desses pontos. 0 objectivo deste passo é compensar picos isolados causados por ruído (por coerência temporal).

Thresholding, detecção por limiar, por coluna: Dada a natureza do circuito, quando há um toque numa dada coluna, todos os valores dessa coluna são afectados por um aumento. Isto aumenta também os erros, pelo que é feita uma anulação dos valores inferiores a uma percentagem do valor máximo dessa coluna Smoothing (alisamento): adicionalmente, pode ser aplicado um alisamento para reduzir ainda mais o ruído provindo de interferências, explorando a coerência espacial. Exemplos deste tipo de algoritmos são filtros passa-baixo como o filtro de Gaussian, a média dos pontos vizinhos ou a mediana.

Identificação de posíveis áreas de toque: após a filtragem efectuada nos passos anteriores, são identificadas áreas contíguas da matriz que tenham leituras significativas. Para cada uma das áreas contíguas, é calculado o seu centro de massa e extensão. Caso o seu valor seja significativo (i.e acima de um limite mínimo) considera-se que houve um ponto de toque na posição correspondente ao centro de massa.

Estágios de seguimento de pontos de toque 22

Com a informação dos pontos de toque detectados no estágio anterior, é feito o seguimento dos mesmos, sendo armazenados sob a forma de trilhos - No estado inicial, não existe nenhum trilho

Um ponto de toque que surja isolado dá origem a um novo trilho - Em instantes subsequentes, cada novo ponto de toque é comparado com trilhos existentes no instante de tempo anterior. Se o ponto de toque estiver suficientemente perto de um trilho existente, é adicionado ao trilho. Se não estiver próximo de nenhum trilho, dá origem a um novo trilho

Em cada instante também, trilhos aos quais não foi adicionado nenhum novo ponto são considerados como terminados, e removidos da lista de trilhos existentes A informação de inicio de novo trilho, acrescento de novos pontos e fim de trilho pode ser enviada para as aplicações de diferentes formas, nomeadamente como eventos do sistema operativo que notifica as aplicações desses eventos, ou como uma sequência de comandos lida pela aplicação a partir de um porto de comunicação bem definido.

Descrição das Figuras

Figura 1: Representação esquemática da grelha capacitiva da presente invenção.

Figura 2: Representação esquemática de grelha alternativa que permite uma maior cobertura de área, através da duplicação do percurso de cada linha e/ou coluna. 23

Figura 3: Representação esquemática de grelha alternativa que permite uma maior cobertura de área, através do percurso em "zig-zag" da cada linha e/ou coluna.

Figura 4: Representação esquemática esquemática de grelha alternativa que permite uma maior cobertura de área, através de pistas condutoras de largura relevante para cada linha e/ou coluna.

Figura 5: Representação esquemática de secção de grelha de fios metálicos, em linhas e colunas.

Figura 6: Representação esquemática de secção de grelha de pistas condutivas e transparentes, em linhas e colunas.

Figura 7: Representação esquemática do circuito equivalente a cada cruzamento de linha e coluna, onde existe um condensador composto equivalente, que corresponde ao condensador directo entre linha e coluna seleccionadas, aos condensadores entre linha e coluna seleccionadas e as linhas e colunas adjacentes, e aos condensadores entre as linhas e colunas adjacentes e as linhas e colunas seguintes. Representa-se ainda o condensador equivalente à variação neste referido condensador composto, correspondente à proximidade de uma objecto, um dedo, por exemplo.

Figura 8: Representação esquemática do método de operação global do sistema.

Figura 9: Representação esquemática do método de leitura da grelha capacitiva. 24

Figura 10: Representação esquemática do controlador da grelha capacitiva da presente invenção e do respectivo processamento no computador anfitrião.

Figura 11: Representação esquemática do circuito de controlo e tratamento de sinal da grelha capacitiva da presente invenção.

Figura 12: Representação esquemática do circuito de controlo e tratamento de sinal da grelha capacitiva da presente invenção, com opção de conversor analógico-digital DAC (1209) para operação diferencial.

Figura 13: Representação esquemática dos niveis de potencial correspondentes à voltagem de referência minima (1303), à voltagem de referência máxima (1304), ao sinal a converter (1301), à voltagem quando há toque (touch) (1302), quando não há toque (notouch) (1305,1306).

Lisboa, 5 de Janeiro de 2010

Claims (20)

1 REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo de detecção multi-ponto de baixa latência em grelhas capacitivas caracterizado por compreender uma superfície, referida por grelha capacitiva (111), que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores, onde cada conjunto compreende um ou mais condutores isolados (101-105, 106-110), onde os condutores de cada conjunto não se cruzam entre si, mas os condutores de conjuntos diferentes cruzam-se entre si, sem contacto eléctrico directo; e um circuito detector de alterações de capacidade no ponto de cruzamento entre dois condutores de diferentes conjuntos (112), aquando da aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo, e que compreende: a) emissor de sinal, que compreende: i) injector de sinal variável no tempo (1008); ii) desmultiplexador (1007) para seleccionar condutor de um primeiro conjunto onde injectar sinal; b) receptor e detector de sinal, que compreende: i) multiplexador (1010) para seleccionar um outro condutor de um segundo conjunto onde detectar o sinal injectado; ii) amplificador de sinal (1009); iii) desmodulador ou rectificador, que converte o sinal para um potencial; iv) conversor analógico-digital (1012), que converte o potencial numa leitura numérica.

2. Dispositivo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o receptor de sinal compreender adicionalmente um filtro passa-alto, resistivo- 2 capacitivo, RC, que faz uso da própria capacidade entre os dois condutores seleccionados.

3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o sinal injectado ser alternado sinusoidal, com valor médio nulo ou valor quadrático médio nulo, entre os 50 e os 300 KHz, com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico.

4. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o conversor analógico-digital (1012) operar em modo diferencial utilizando como referência (1015) da conversão analógico-digital uma ou mais leituras prévias de cada intercepção de um par de condutores.

5. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a referência da conversão analógico-digital compreender duas voltagens, mínima (1303) e máxima (1304), independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas em uma ou mais leituras prévias.

6. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por quando o sinal é injectado num dado condutor, são desligados os restantes condutores, ou mantidos em alta impedância ou em potencial fixo contínuo.

7. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por compreender 3 adicionalmente um circuito de redução de ruido por alisamento (1005) .

8. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por a referida grelha capacitiva (111) ser plana ou substancialmente plana.

9. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por os conjuntos de condutores serem dois (101-105, 106-110), orientados em linhas e colunas de forma regular, formando uma matriz (111) .

10. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por os condutores serem micro-filamentos em particular de metal ou serem faixas em camadas finas, nomeadamente de óxidos de índio tais como, Indium Tin Oxide - ITO, ou óxidos de Antimónio tais como, Antímony Tin Oxide - ATO.

11. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por os seus elementos serem total ou parcialmente transparentes e compreender adicionalmente um écran colocado sob a grelha capacitiva (111) .

12. Método de detecção multi-ponto de baixa latência em grelhas capacitivas caracterizado por detectar alterações de capacidade na proximidade de um ou mais pontos de cruzamento (112), cada qual entre dois condutores eléctricos isolados entre si, aquando da 4 aproximação ou contacto de um objecto (710), nomeadamente um dedo, ou aquando da aproximação ou contacto, ao longo de um trilho, de um objecto (710), nomeadamente um dedo; em uma superfície, referida por grelha capacitiva (111), que compreende pelo menos dois conjuntos de condutores (101-105, 106-110), onde cada conjunto compreende um ou mais condutores isolados, onde os condutores de cada conjunto não se cruzam entre si, mas os condutores de conjuntos diferentes cruzam-se entre si, sem contacto eléctrico directo; e por compreender os seguintes passos: seleccionar um primeiro condutor (901), de um primeiro conjunto de condutores; - injectar um sinal variável no tempo; - seleccionar um segundo condutor (901), de um segundo conjunto de condutores; amplificar e rectificar o sinal obtido(902) no segundo condutor; converter o sinal para digital e enviar para processamento (903); - escolher um outro segundo condutor entre o segundo conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente ao primeiro condutor (906); - escolher um outro primeiro condutor entre o primeiro conjunto de condutores e repetir até que se tenha obtido informação suficiente correspondente à grelha capacitiva (907) .

13. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por compreender adicionalmente o passo de regular a sensibilidade e alcance através da frequência e amplitude do sinal injectado. 5

14. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por compreender adicionalmente um passo de redução de ruido por alisamento.

15. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por compreender adicionalmente o passo de variar o ganho de amplificação do sinal, o nivel de alisamento e redução de ruido do sinal e a precisão da conversão analógica-digital de forma a reduzir o nivel de ruido da grelha capacitiva.

16. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o sinal injectado ser alternado sinusoidal, com valor médio nulo ou valor quadrático médio nulo, entre os 50 e os 300 KHz, com uma amplitude de 10 a 24 volts pico a pico.

17. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por o conversor analógico- digital (1208) operar em modo diferencial (1209) e utilizando como referência (1211) da conversão analógico-digital duas voltagens, mínima e máxima, independentes para cada intercepção de um par de condutores, obtidas em uma ou mais leituras prévias.

18. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por após recepção de das leituras obtidas da grelha sob a forma digital, é feito um processamento dessa informação, que compreende um ou mais dos seguintes passos: 6 a) detecção por limiar, thresholding: valores inferiores a um limite mínimo assumem-se como erros residuais, e são anulados; b) filtro por média móvel no tempo, moving average in time filter: cada valor em cada posição é corrigido por uma média que leva em conta as últimas leituras dessa posição, por coerência temporal; c) detecção por limiar, thresholding, por conjunto de condutores: anulação dos valores inferiores a uma percentagem do valor máximo desse mesmo conjunto; d) alisamento, smoothing: opcionalmente, pode ser aplicado um alisamento, por coerência espacial, nomeadamente filtros passa-baixo como o filtro de Gaussian, a média dos pontos vizinhos ou a mediana.

19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores caracterizado por após a filtragem efectuada nos passos anteriores, compreender adicionalmente os passos de: a) identificar áreas contíguas da matriz que tenham leituras significativas; b) para cada uma das áreas contíguas, calcular o seu centro de massa e extensão; c) caso o seu valor seja acima de um limite mínimo, considera-se que houve um ponto de toque na posição correspondente ao centro de massa.

20. Método de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por compreender um ou mais dos seguintes passos: a) com a informação dos pontos de toque detectados na reivindicação anterior, é feito o seguimento dos mesmos, sendo armazenados sob a forma de trilhos; 7 b) no estado inicial, não existe nenhum trilho; c) um ponto de toque que surja isolado dá origem a um novo trilho; d) em instantes subsequentes, cada novo ponto de toque é comparado com trilhos existentes no instante de tempo anterior, se o ponto de toque estiver suficientemente perto de um trilho existente, é adicionado ao trilho, se não estiver próximo de nenhum trilho, dá origem a um novo trilho; e) em cada instante também, trilhos aos quais não foi adicionado nenhum novo ponto são considerados como terminados, e são removidos da lista de trilhos existentes. Lisboa, 5 de Janeiro de 2010